Kernuhr Forscher tüfteln an der genauesten Uhr der Welt

Physikern ist ein entscheidender Durchbruch bei der Entwicklung einer Kernuhr gelungen. Die Apparate sollen die Zeit noch präziser messen als Atomuhren.

Illustration eines Atoms: Während Atomuhren auf Schwingungen in der Atomhülle basieren, könnten Kernuhren Schwingungen im 100.000-mal kleineren Kern nutzen
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Illustration eines Atoms: Während Atomuhren auf Schwingungen in der Atomhülle basieren, könnten Kernuhren Schwingungen im 100.000-mal kleineren Kern nutzen


In 30 Milliarden Jahren gehen sie nur um wenige Sekunden falsch: Die besten Atomuhren gehören zu den genauesten Instrumenten, die der Mensch je erfunden hat. Aber Forscher arbeiten bereits an deutlich präziseren Zeitmessern: Kernuhren.

Physikern ist nun ein entscheidender Durchbruch bei deren Entwicklung gelungen, wie sie im Fachblatt "Nature" berichten. Sie haben es erstmals geschafft, die genaue Energiemenge zu messen, die beim Zerfall eines angeregten Thorium-229-Atomkerns frei wird.

Die Idee: Im Gegensatz zu gewöhnlichen Atomuhren nutzen Kernuhren nicht Schwingungen in der Elektronenhülle als Taktgeber, sondern im Atomkern. Dieser ist etwa 100.000-mal kleiner als die Atomhülle und dadurch weniger anfällig für Störungen.

"Die Wellenlänge muss haargenau stimmen"

Allerdings gibt es ein Problem: Sowohl Atom- als auch mögliche Kernuhren basieren auf Schwingungen, die durch Übergänge zwischen den Energieniveaus innerhalb des Atoms verursacht werden. Es ist aber sehr viel schwieriger, solche Übergänge im Atomkern hervorzurufen als in der Atomhülle.

Die einzige Ausnahme ist Thorium-229. Um den Atomkern anzuregen, reicht in diesem Fall ultraviolette Strahlung, die mit Lasern produziert werden kann, wie sie auch in Atomuhren vorkommen.

"Die Energie beziehungsweise Wellenlänge des Laserlichts muss haargenau auf die Energie des Kernübergangs abgestimmt sein", sagt Studienautor Benedict Seiferle von der Ludwig-Maximilians-Universität München. Ebenfalls an dem Projekt beteiligt waren Forscher vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung Darmstadt, der Universität Mainz, des Helmholtz-Instituts Mainz sowie der Universität Bonn und der Technischen Universität Wien.

Allerdings war bisher nicht klar, welche Wellenlänge der Laser haben muss. Genau dieses Problem konnten die Forscher nun beheben. Dafür stellten sie zunächst Thorium-229-Ionen her, die positiv geladen sind, weil ihnen Elektronen fehlen. Anschließend schossen sie diese durch eine Folie aus Graphen.

Dabei geschieht ein Dominoeffekt: Das Ion holt sich die fehlenden Elektronen aus der Folie zurück. Der Atomkern gibt daraufhin in Millionstel-Sekunden Energie an ein Elektron ab, das dadurch aus der Atomhülle herausgeschossen wird. Ein neues Ion entsteht. Mithilfe eines Elektronen-Spektrometers konnten die Forscher genau feststellen, wie viel Energie der Atomkern an das Elektron abgegeben haben muss.

Daraus konnten die Forscher schlussfolgern, dass ein Laser eine Wellenlänge von rund 150 Nanometern haben muss, um einen Thorium-229-Atomkern anzuregen. Ist dieser Laser erst konstruiert sei es nicht mehr weit bis zur Kernuhr.

Für den Otto-Normal-Verbraucher dürfte es zwar keine Rolle spielen, ob eine Uhr auch in Milliarden Jahren noch auf die Sekunde genau läuft, aber viele Fragen der Grundlagenforschung lassen sich laut den Physikern nur mit einer extrem präzisen Zeitmessung beantworten.

koe



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